Etude en champ proche

L’objet de l’´etude en champ proche est de visualiser la formation du mode lorsqu’on

s’ap-proche du pic de transmission. Pour ce faire, nous disposions d’une diode laser Tunics Plus

accordable en longueur d’onde de 1450nm `a 1590nm avec un pas annonc´e par le fabricant de

1pm. Nous avons donc r´ealis´e des images `a diff´erentes longueurs d’onde sur la mˆeme structure.

En nous basant sur les conclusions du chapitre pr´ec´edent, nous avons opt´e pour une sonde

monomode.

Une image topographique typique est pr´esent´ee Fig. 4.5. Sur la vue 3D, on peut voir que la

surface semble sale. Les tranch´ees d’air n’apparaissent pas `a cette ´echelle, mais on voit le guide

´

Etude d’une microcavit´e 1D 69

10 µm 0 nm 100 0

(b)

(a)

0 10 µm µm 600 0 nm

Fig. 4.5 –Images topographiques du cristal. (a) vue 3D mettant en ´evidence le guide ruban Si.

(b) vue 2D de la mˆeme image une fois trait´ee : les tranch´ees d’air sont visibles.

Si de 8µm de large. La hauteur observ´ee correspond `a sa hauteur r´eelle (400nm). La Fig. 4.5b est

une vue en 2D de la mˆeme image une fois trait´ee : l’image a ´et´e aplatie de fa¸con `a faire ressortir

les d´etails. Cette fois, on distingue les tranch´ees d’air. De plus, on peut remarquer que des fentes

sont visibles ´egalement au-dessus du guide ruban. Ces tranch´ees – qui sont ´egalement visibles

sur le clich´e de microscopie ´electronique du cristal (Fig. 4.3b) – sont en fait le prolongement des

tranch´ees du guide. On peut se demander pourquoi la surface du guide Si semble si sale alors que

la surface en dehors du ruban est exempte de telles pollutions. Nous pouvons avancer l’´el´ement

de r´eponse suivant. Lors du processus de fabrication, on commence par graver les tranch´ees d’air.

Puis une r´esine est d´epos´ee et lithographi´ee afin de masquer la zone qui deviendra le guide ruban.

Cette r´esine est ´elimin´ee en toute fin de proc´edure par attaque acide. Il est probable qu’une

quantit´e insuffisante d’acide ait ´et´e employ´ee et qu’il reste en surface du guide des morceaux de

r´esine qui forment les ilˆots que l’on observe sur les images topographiques. Il est important de

noter que ces r´esidus, sans doute parce qu’ils ont un indice de r´efraction relativement faible par

rapport `a celui du silicium, n’ont pas perturb´e outre mesure les images optiques.

Une synth`ese des images optiques que nous avons r´ealis´ees se trouve Fig. 4.6. Elles sont

pr´esent´ees dans une vue de cˆot´e. En bas de chaque image, nous avons sch´ematis´e la position

spatiale des tranch´ees d’air, telle que nous avons pu la d´eduire des images topographiques

corres-pondantes. Les images optiques couvrent une fenˆetre spectrale qui commence depuis l’int´erieur

de la bande interdite (λ= 1480nm) jusqu’au maximum de transmission du pic de r´esonance (λ

= 1535nm). Une vue agrandie du spectre de transmission avec la position spectrale de chacune

des images se trouve `a droite de la Fig. 4.6. L’orientation des images est telle que la lumi`ere issue

de la source accordable se propage de la droite de l’image vers la gauche. Pr´ecisons ´egalement

que puisque nous n’avons pas utilis´e syst´ematiquement la mˆeme puissance d’injection et que de

plus l’efficacit´e du couplage peut varier sensiblement d’une image `a l’autre, la comparaison des

niveaux de signal optique entre deux images n’est pas possible. C’est pourquoi nous avons

nor-malis´e chacune des images par rapport `a son niveau de signal maximal. Nous allons maintenant

nous consacrer `a l’analyse de ces images.

Sur l’image enregistr´ee pour une longueur d’onde de 1480nm, un pic de signal important

se trouve au niveau du premier miroir de Bragg tandis qu’un autre pic de moindre intensit´e

70 Etude de structures photoniques en silicium sur isolant

d

a ^b

c

e

λ (nm)

Intensité (u. a.)

Transmission

Fig. 4.6 –Images optiques SNOM enregistr´ees au-dessus du cristal photonique pour diff´erentes

longueurs d’onde incidentes. (a) λ=1480nm (b)λ=1490nm (c) λ= 1515nm (d) λ=1525nm

(e) λ = 1535nm et (f) λ = 1525nm en mode interleave (la pointe est en retrait de 500nm

par rapport `a la surface). La position spatiale des tranch´ees, d´eduite de l’image topographique

correspondante, est indiqu´ee sur chaque image. Sur chacune des images, la lumi`ere se propage

de la droite vers la gauche. `A droite : zoom du spectre de transmission du cristal ; les fl`eches

correspondent aux positions spectrales des images.

se trouve au-dessus du second miroir. Lorsqu’on se rapproche du pic de transmission de la

microcavit´e (λ = 1490nm), on constate que le premier pic de signal devient plus ´etroit alors

que le niveau du second augmente. Cet effet s’amplifie encore lorsqu’on augmente `a nouveau la

longueur d’onde (λ= 1515nm). De plus, il apparait un nouveau pic d’intensit´e `a l’int´erieur de

la cavit´e, recouvrant partiellement le premier pic. `Aλ= 1525nm, le niveau de signal au-dessus

du second miroir est devenu presque aussi important que celui du miroir d’entr´ee, le pic situ´e

au-dessus de la cavit´e ´etant toujours pr´esent. Enfin, `a λ= 1535nm, c’est-`a-dire exactement `a la

longueur d’onde de r´esonance de la cavit´e, on observe trois pics bien r´esolus spatialement : deux

au-dessus des miroirs (d’intensit´e presque indentique) et un au centre, d’intensit´e environ deux

fois plus faible. La largeur `a mi-hauteur de ce pic central est d’environ 800nm. En consid´erant

l’ensemble de ces images, on peut associer les pics au-dessus des miroirs `a des pics correspondant

aux pertes hors-plan au niveau des miroirs, `a la mani`ere du ph´enom`ene qui ´etait observ´e sur

´

Etude d’une microcavit´e 1D 71

les cristaux actifs du chapitre pr´ec´edent au niveau de la premi`ere rang´ee de trous. La position

spatiale du pic central nous invite `a le faire correspondre au mode de cavit´e, dont on verrait

l’apparition progressive au fur et `a mesure que l’on se rapproche de la longueur d’onde de

r´esonance. Toutefois, afin de confirmer cette id´ee, il est n´ecessaire d’obtenir des informations sur

la nature du signal recueilli.

C’est pourquoi nous avons repr´esent´e sur la Fig. 4.6f une image enregistr´ee en modeinterleave

(cf. section 1.2.2) en mˆeme temps que la Fig. 4.6d (donc `aλ= 1525nm), mais en reculant la pointe

d’une hauteur de 500nm. Puisque le champ ´electromagn´etique associ´e au mode du guide ruban

est fortement confin´e par le guide, sa profondeur de p´en´etration dans l’air est assez faible (une

centaine de nanom`etres) et par cons´equent une image enregistr´ee `a 500nm de la surface peut ˆetre

consid´er´ee comme une image de type ”champ lointain”, o`u le poids de la partie ´evanescente du

mode guid´e est n´egligeable devant celui de la partie radiative. Sur cette image, on peut observer

que le pic central, que nous associons au mode confin´e de la cavit´e, a disparu – contrairement

aux pics des miroirs. Notons ´egalement qu’alors qu’en champ proche les deux pics des miroirs

avaient des intensit´es ´equivalentes, d´esormais l’amplitude du second pic est deux fois moindre

que celle du premier pic. Nous pouvons interpr´eter ces r´esultats de la fa¸con suivante. Le pic

central est compos´e majoritairement de champ ´evanescent, tandis que les pics situ´es au-dessus

des miroirs sont form´es plutˆot de champ radiatif. Tout ceci tend `a confirmer que le pic central

est bien associ´e `a un mode confin´e dans le guide, tandis que les deux autres sont associ´es `a des

pertes. La diminution en intensit´e du pic associ´e aux pertes sur le miroir de sortie par rapport

aux pertes sur le miroir d’entr´ee tendrait `a prouver qu’il y a une quantit´e non n´egligeable de

champ ´evanescent au-dessus du second miroir – mais il est difficile d’aller plus avant dans les

conclusions.

Dans toute cette discussion, nous n’avons pas abord´e la question du niveau de signal d´etect´e

au-dessus du guide ruban. En effet, un regard aux diff´erentes images montre que ce niveau est tr`es

faible, qu’il ne semble pas beaucoup varier d’une longueur d’onde `a l’autre et surtout qu’il reste

presque le mˆeme lorsqu’on recule la sonde de 500nm. Le signal que d´etecte la pointe au-dessus

du guide semble donc ˆetre de l’ordre du niveau de bruit. Bien entendu, il n’est pas ´etonnant

que le niveau de signal d´etect´e soit faible, puisque nous sommes toujours dans la situation d’un

couplage ´evanescent faible entre la sonde et le mode guid´e dˆu au constraste d’indice important

entre les deux mat´eriaux. Mais ce qui est ´etonnant, c’est que nous parvenions `a d´etecter un

signal associ´e `a un couplage ´evanescent au niveau de la cavit´e mais pas au niveau du guide.

C’est pour comprendre ce ph´enom`ene que nous avons d´ecid´e de proc´eder `a des simulations.

Dans le document Etude en champ proche et en champ lointain de composants périodiquement nanostructurés : cristaux photoniques et tamis à photons (Page 71-74)